骨折修复术前规划中三维模型的自动高效处理方法研究

Combining the orthopedics with digital technologies avails the preoperative planning of bone fracture treatment. However, the current digital technologies need massive human interaction and are not highly automatized, among which many problems need to be solved. Based on clinical CT images, this project will conduct a study which is specified in solving the key problems such as automatically reconstructing 3D bone models, constructing damaged bones’ original models, designing patient-specific orthopedic plates, etc. The project put forward the concept of knowledge template and also the new strategies of the iterative refinements. Attempting to combine digital information of the CT images with the priori medical knowledge, this project proposes the method of automatically and efficiently reconstructing 3D bone models and also the method of automatically reassembling the bone fragments which meets both the needs of fracture contraposition and alignment. Besides, the method of efficiently designing patient-specific orthopedic plates is proposed by applying the techniques of parameterized features to the template-based design of orthopedic plates. This research project will have profound theoretical effects and practical values in shortening the time of surgery, reducing the manual participation and improving the efficiency and automatic level of the preoperative planning of bone fracture treatment.

数字化技术与骨科学结合，方便了骨折修复手术的术前规划。然而，目前数字化骨折修复规划需要大量的人工参与，自动化程度不高，其中一个重要的原因是骨骼和固定物的三维模型处理方法效率有待提高。本项目将基于断层连续图像(CT), 对骨骼三维模型的自动构建、损伤骨骼原始模型快速生成、碎骨拼接修复和接骨板个性化设计等关键问题展开研究。项目提出了知识模板的概念和交替迭代逐步求精的新策略，试图将CT图像的数字信息和医学先验知识相结合，提出自动高效的骨骼三维模型构建方法和满足对位对线的碎骨自动拼接方法；将参数化特征技术引入到接骨板的设计中，提出基于模板的个性化接骨板高效设计方法。项目研究对于缩短骨折修复术前规划周期、减少人工参与、提高骨折修复术前规划的效率和自动化水平，有着重要的理论意义和实际应用价值。

针对目前数字化骨折修复规划需要大量的人工参与，自动化程度不高的问题，为提高骨骼和固定物的三维模型处理方法效率，本项目基于断层连续图像(CT),对骨骼三维模型的自动构建、损伤骨骼原始模型快速生成、碎骨拼接修复和接骨板个性化设计等关键问题展开了研究。项目的主要研究内容包括：知识模板指导的CT图像到三维骨骼模型的自动重建；基于关联参数与网格变形的损伤骨骼原始模型生成；满足对位对线约束的碎骨拼接方法；基于模板的接骨板特征参数化设计和优化方法等。项目提出了知识模板的概念和交替迭代逐步求精的新策略，将CT图像的数字信息和医学先验知识相结合，提出了自动高效的骨骼三维模型构建方法和满足对位对线的碎骨自动拼接方法；将参数化特征技术引入到接骨板的设计和骨骼参数测量中，提出基于模板的个性化接骨板高效设计方法。项目研究对于缩短骨折修复术前规划周期、减少人工参与、提高骨折修复术前规划的效率和自动化水平，有着重要的理论意义和实际应用价值。.本研究共完成学术论文15篇，其中在《IEEE transactions on medical imaging》等国际期刊论文5篇,《计算机辅助设计与图形学学报》、《计算机集成制造系统》等重要杂志论文7篇；获得授权发明专利3项，受理申请发明专利3项；培养了博士研究生3名，硕士研究生7名。